基于cmftir效應(yīng)的光纖連續(xù)式液位傳感系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型實(shí)施例提供了一種基于CMFTIR效應(yīng)的光纖連續(xù)式液位傳感系統(tǒng)，涉及光纖傳感領(lǐng)域，可實(shí)現(xiàn)分辨率高，量程大，魯棒性好，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易行。所述光纖連續(xù)式液位傳感系統(tǒng)包括：LED光源，第一光功率計(jì)，第二光功率計(jì)以及光纖液位傳感器；其中，所述光纖液位傳感器包括尼龍棒，有源光纖和無(wú)源光纖，有源光纖和無(wú)源光纖的中間部分相互緊密貼合后螺旋纏繞在所述尼龍棒上形成光纖連續(xù)宏彎耦合結(jié)構(gòu)，除此部分外均套有黑色熱縮管；有源光纖的一端連接LED光源，另一端連接所述第一光功率計(jì)；無(wú)源光纖的一端連接所述第二光功率計(jì)，另一端用黑色蓋帽密封；第一光功率計(jì)和第二光功率計(jì)位于光纖液位傳感器的同一端。
【專利說(shuō)明】基于CMFTIR效應(yīng)的光纖連續(xù)式液位傳感系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及光纖傳感領(lǐng)域，尤其涉及一種基于CMFTIR(cladding mode frustrated total internal reflection，包層模受抑全內(nèi)反射）效應(yīng)的光纖連續(xù)式液位 傳感系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 在化學(xué)化工生產(chǎn)領(lǐng)域，液體化工品的儲(chǔ)藏，裝卸，運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程中，液位的自動(dòng)化檢 測(cè)是實(shí)現(xiàn)安全作業(yè)的重要保證。特別在危險(xiǎn)化工品的運(yùn)輸途中，由于長(zhǎng)途顛簸存在發(fā)生泄 漏的風(fēng)險(xiǎn)，若不能有效實(shí)現(xiàn)液位精細(xì)變化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，就有可能導(dǎo)致險(xiǎn)情擴(kuò)大，甚至?xí)：?人員生命安全。此外，某些化工液體易燃易爆，例如石油，酒精等，在液位測(cè)量中要求液位信 號(hào)非電測(cè)量，以避免發(fā)生電火花燃爆事故。更加特殊的情況，例如撫順石油二廠處在雷電多 發(fā)區(qū)，電子儀表常常受到電磁干擾而無(wú)法正常工作。因此，采用光纖液位傳感的方法，既有 針對(duì)性的解決了實(shí)時(shí)自動(dòng)化，非電測(cè)量，抗電磁干擾等問(wèn)題，同時(shí)又能保證經(jīng)濟(jì)與實(shí)用，已 經(jīng)在某些企業(yè)獲得實(shí)際的應(yīng)用并且成為未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，具有廣闊的發(fā)展空間和重要的社 會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
[0003] 目前，已有的光纖液位傳感器主要分為本征和非本征兩類。非本征型僅僅是利用 光纖作為信號(hào)傳輸介質(zhì)，傳感實(shí)際上是通過(guò)外加的調(diào)制裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如3EFL2I系列光 纖液位變送器，采用的浮子與光碼變送器。這一類傳感器，常常帶有浮子及復(fù)雜的機(jī)械運(yùn) 動(dòng)機(jī)構(gòu)，適宜于液面平穩(wěn)靜止條件下測(cè)量，難以滿足在裝卸，運(yùn)輸過(guò)程中液位連續(xù)變化下 實(shí)時(shí)測(cè)量的需要。本征型是指利用光纖自身作為傳感器。其中最成功的要數(shù)壓強(qiáng)敏感式 光纖液位傳感器，其利用應(yīng)變片來(lái)感受油箱底部的壓強(qiáng)，并通過(guò)光纖來(lái)測(cè)量作用在應(yīng)變片 上的壓強(qiáng)值，從而得到液位值。根據(jù)應(yīng)變片形變感應(yīng)方式的不同可將壓強(qiáng)敏感式光纖液 位傳感器分為光強(qiáng)反射式，法布里?自羅式，微彎式、雙折射式、布拉格光柵式、長(zhǎng)周期光柵 式等，但是由于運(yùn)動(dòng)過(guò)程中將產(chǎn)生的加速度及額外壓強(qiáng)導(dǎo)致此類傳感器不適用于裝卸，運(yùn) 輸，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測(cè)量。此外，同樣具有代表性的還有利用受抑全內(nèi)反射原理實(shí) 現(xiàn)的光纖液位探頭，主要有兩種實(shí)現(xiàn)途徑，一是在單根光纖的端面通過(guò)技術(shù)處理（拋光或 電火花拉伸）獲得90°全內(nèi)反射斜面，光從光纖一端輸入經(jīng)全內(nèi)反射后沿原光路返回；二 是利用棱鏡打磨出90°反射斜面后，分別用兩根光纖作為輸入光纖和輸出光纖。經(jīng)過(guò)發(fā) 展，這一類光纖探頭已經(jīng)獲得了非常好的區(qū)分度，但往往加工難度較大，反射端面易受污 染，更為重要的是，探頭式的傳感器仍然無(wú)法免于機(jī)械運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，無(wú)法應(yīng)用于需要連續(xù)，實(shí) 時(shí)，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的場(chǎng)合。動(dòng)態(tài)大量程光纖連續(xù)液位傳感一直是領(lǐng)域內(nèi)未被攻克的技術(shù)難題。 1995年由意大利Cassino大學(xué)工業(yè)工程學(xué)院的Betta在發(fā)表于《IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement》雜志上的文獻(xiàn)《A digital level transducer based on optical fiber》中提出基于漸逝場(chǎng)光泄漏的光纖液位傳感器，可實(shí)現(xiàn)25mm的連續(xù)液位 分辨率。Betta通過(guò)化學(xué)腐蝕的方法去除光纖的部分包層，由于該方法需要對(duì)包層厚度進(jìn)行 精確控制，增加了制造的難度，并且由于光纖原有的包層結(jié)構(gòu)遭到破壞，使得該傳感器的魯 棒性變差。2013年美國(guó)北達(dá)科他州立大學(xué)和密蘇里大學(xué)的Ying Huang和Baokai Chen等在 《MEASUREMENT SCIENCE AND TECHNOLOGY》雜志上發(fā)表的文章 《Simultaneous detection of liquid level and refractive index with a long-period fiber grating based sensor device》中提出利用長(zhǎng)周期光纖光柵制作了連續(xù)液位傳感器，實(shí)現(xiàn)了液位分辨率誤差小于 1_，測(cè)量范圍達(dá)到了 30_。該傳感器雖然實(shí)現(xiàn)了連續(xù)液位傳感器及較高的分辨率，但量程 過(guò)小，且制作成本過(guò)高，檢測(cè)儀器復(fù)雜昂貴。 實(shí)用新型內(nèi)容
[0004] 本實(shí)用新型的實(shí)施例提供一種基于CMFTIR效應(yīng)的光纖連續(xù)式液位傳感系統(tǒng)，傳 感器量程大，分辨率高，魯棒性好，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易行。
[0005] 為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型的實(shí)施例采用如下技術(shù)方案：
[0006] 一種基于CMFTIR效應(yīng)的光纖連續(xù)式液位傳感系統(tǒng)，包括：LED光源，第一光功率 計(jì)，第二光功率計(jì)以及光纖液位傳感器；
[0007] 其中，所述光纖液位傳感器包括尼龍棒，有源光纖和無(wú)源光纖，所述有源光纖和所 述無(wú)源光纖的中間部分相互緊密貼合后螺旋纏繞在所述尼龍棒上形成連續(xù)宏彎耦合結(jié)構(gòu)， 除中間部分外的光纖均套有黑色熱縮管；
[0008] 所述有源光纖的一端連接LED光源，另一端連接所述第一光功率計(jì)；所述無(wú)源光 纖的一端連接所述第二光功率計(jì)，另一端用黑色蓋帽密封；所述第一光功率計(jì)和所述第二 光功率計(jì)位于所述光纖液位傳感器的同一端。
[0009] 可選的，所述連續(xù)宏彎耦合結(jié)構(gòu)包括：平行連續(xù)宏彎耦合結(jié)構(gòu)，雙絞連續(xù)宏彎耦合 結(jié)構(gòu)和疊加連續(xù)宏彎耦合結(jié)構(gòu)；
[0010] 其中，所述平行連續(xù)宏彎耦合結(jié)構(gòu)為所述有源光纖和所述無(wú)源光纖的中間部分并 排平行放置后螺旋緊密纏繞在所述尼龍棒上；
[0011] 所述雙絞連續(xù)宏彎耦合結(jié)構(gòu)為所述有源光纖和所述無(wú)源光纖的中間部分以固定 步長(zhǎng)雙絞后，利用高溫導(dǎo)線在兩根光纖外部纏繞，使兩光纖緊密貼合，并形成一體式結(jié)構(gòu)， 然后將該結(jié)構(gòu)以固定螺距纏繞于尼龍棒上；
[0012] 所述疊加連續(xù)宏彎耦合結(jié)構(gòu)是通過(guò)在尼龍棒上刻2mm深固定槽后，先將有源光纖 緊密纏繞于尼龍棒槽內(nèi)底層，再將無(wú)源光纖疊加纏繞于有源光纖之上。
[0013] 可選的，所述有源光纖和所述無(wú)源光纖為包層較薄，柔韌性好的塑料光纖P0F。
[0014] 可選的，所述POF光纖包括標(biāo)準(zhǔn)通信用塑料光纖，傳感光纖或石英纖芯的塑料包 層光纖。
[0015] 可選的，所述尼龍棒插在內(nèi)側(cè)貼有高反膜的兩端無(wú)蓋的圓柱筒內(nèi)。
[0016] 上述技術(shù)方案提供的基于CMFTIR效應(yīng)的光纖連續(xù)式液位傳感系統(tǒng)，利用標(biāo)準(zhǔn)通 信用塑料光纖中的包層模受抑全內(nèi)反射（CMFTIR)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)連續(xù)液位測(cè)量，無(wú)需破壞光纖 原有結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化了工藝難度，大幅降低了成本，有效提高了傳感器的魯棒性。利用光纖宏彎 耦合結(jié)構(gòu)增強(qiáng)CMFTIR效應(yīng)，以獲得更高的靈敏度，使得傳感器的液位靈敏度大于0. 7nw/ mm。首次提出了基于雙絞連續(xù)宏彎耦合結(jié)構(gòu)、平行連續(xù)宏彎耦合結(jié)構(gòu)和疊加連續(xù)宏彎耦合 結(jié)構(gòu)三種不同實(shí)現(xiàn)方式的連續(xù)式液位傳感器，其中基于雙絞連續(xù)宏彎親合結(jié)構(gòu)的液位傳感 器試驗(yàn)測(cè)量范圍超過(guò)365_。同時(shí)，利用暗場(chǎng)檢測(cè)方法，通過(guò)探測(cè)正向宏彎耦合端口的暗場(chǎng) 信號(hào)，有效降低背景噪聲，大幅提高系統(tǒng)信噪比，液位分辨率小于0. 2mm。本方案無(wú)需鎖相放 大器等復(fù)雜的微弱信號(hào)提取電路及繁瑣的相關(guān)運(yùn)算，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)復(fù)雜性和成本，并 且提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017] 圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的一種基于CMFTIR效應(yīng)的光纖連續(xù)式液位傳感系 統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；
[0018] 圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的一種平行連續(xù)宏彎耦合結(jié)構(gòu)連續(xù)式液位傳感系 統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019] 圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的一種雙絞連續(xù)宏彎耦合結(jié)構(gòu)的連續(xù)式液位傳感 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的一種疊加連續(xù)宏彎耦合結(jié)構(gòu)的連續(xù)式液位傳感 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021] 圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的一種使雙絞的兩根光纖實(shí)現(xiàn)光能穩(wěn)定耦合的結(jié) 構(gòu)示意圖；
[0022] 圖6為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的在雙絞連續(xù)宏彎耦合結(jié)構(gòu)下，正向耦合輸出功率 與液位之間的關(guān)系示意圖；
[0023] 圖7為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的在平行連續(xù)宏彎耦合結(jié)構(gòu)下，正向耦合輸出功率 與液位之間的關(guān)系示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0024] 下面將結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)施例中的附圖，對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行 清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的 實(shí)施例?；诒緦?shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下 所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。
[0025] 本實(shí)用新型實(shí)施例提供了一種基于CMFTIR效應(yīng)的光纖連續(xù)式液位傳感系統(tǒng)，如 圖1中的框圖所示，所述連續(xù)式液位傳感系統(tǒng)包括：LED光源0,第一光功率計(jì)1，第二光功 率計(jì)2以及光纖液位傳感器4。
[0026] 其中，如圖2所示，所述光纖液位傳感器4包括尼龍棒41，有源光纖42和無(wú)源光纖 43,所述有源光纖42和所述無(wú)源光纖43的中間部分相互緊密貼合后螺旋纏繞在所述尼龍 棒41上形成連續(xù)宏彎耦合結(jié)構(gòu)即敏感部分，除中間部分（即敏感部分）外的光纖上均套有 黑色熱縮管44。
[0027] 兩根光纖的中間部分纏繞在尼龍棒41上，形成連續(xù)宏彎耦合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)對(duì)外界 介質(zhì)折射率敏感，為兩根光纖的敏感部分；其他部分為非敏感部分均套上黑色熱縮管44， 避免不必要的可見(jiàn)光的影響。
[0028] 可選的，所述宏彎耦合結(jié)構(gòu)包括：平行連續(xù)宏彎耦合結(jié)構(gòu)，雙絞連續(xù)宏彎耦合結(jié)構(gòu) 或疊加連續(xù)宏彎耦合結(jié)構(gòu)；其中，所述平行連續(xù)宏彎耦合結(jié)構(gòu)如圖2所示，所述有源光纖42 和所述無(wú)源光纖43的中間部分并排平行放置后螺旋緊密纏繞在所述尼龍棒41上；所述雙 絞連續(xù)宏彎耦合結(jié)構(gòu)如圖3所示，為所述有源光纖42和所述無(wú)源光纖43的中間部分雙絞 后，利用耐高溫導(dǎo)線45在兩根光纖外部纏繞，使兩光纖緊密貼合，并形成一體式結(jié)構(gòu)。然后 將該結(jié)構(gòu)以固定螺距纏繞于尼龍棒41上；所述疊加連續(xù)宏彎耦合結(jié)構(gòu)如圖4所示，通過(guò)在 尼龍棒41上刻槽后，先將有源光纖42緊密纏繞于槽內(nèi)底層，再將無(wú)源光纖43疊加纏繞于 有源光纖42之上。
[0029] 如圖1-圖4所示，所述有源光纖42的一端連接LED光源0,另一端連接所述第一 光功率計(jì)1 ;所述無(wú)源光纖42的一端連接所述第二光功率計(jì)2,另一端用黑色蓋帽3密封； 所述第一光功率計(jì)1和所述第二光功率計(jì)2位于所述光纖液位傳感器4的同一端。所述第 二光功率計(jì)2連接的一端為無(wú)源光纖正向宏彎耦合端口。
[0030] 可選的，所述有源光纖和所述無(wú)源光纖為包層較薄，柔韌性好的POF(Plastic Optical Fiber，塑料光纖）。凡采用塑料光纖制作宏彎耦合結(jié)構(gòu)都屬于本專利權(quán)利，具體實(shí) 例包括：以SK-40為代表的系列標(biāo)準(zhǔn)通信用POF光纖，傳感光纖，石英纖芯的塑料包層光纖 等。
[0031] 可選的，如圖5所示，所述兩根光纖的中間部分雙絞后用耐高溫導(dǎo)線45緊密纏繞， 以排除兩根光纖之間纏繞松動(dòng)引起的間隔誤差，實(shí)現(xiàn)光能量的穩(wěn)定耦合，同時(shí)避免光纖因 雙絞產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力而導(dǎo)致的光纖崩裂。
[0032] 可選的，所述尼龍棒插在內(nèi)側(cè)貼有高反膜的兩頭開口的圓柱筒內(nèi)。所述高反膜不 僅可以防止可見(jiàn)光的影響，還能反射回部分輻射光，提高光能利用率。
[0033] 光纖的包層本身作為波導(dǎo)傳播光線時(shí)，光在包層-環(huán)境界面將發(fā)生全內(nèi)反射。當(dāng) 外界介質(zhì)從空氣變成液體，外界介質(zhì)的折射率變大，接近甚至超過(guò)包層的折射率。此時(shí)包層 的全內(nèi)反射條件受到抑制或破壞，在包層-環(huán)境界面反射的部分光將不能返回到纖芯中， 從而輻射到周圍空間，產(chǎn)生損耗。我們將這種效應(yīng)稱為"包層模受抑全內(nèi)反射"(CMFTIR)效 應(yīng)。在通常的直光纖結(jié)構(gòu)中，CMFTIR效應(yīng)微弱到可忽略不計(jì)。因此，需要特殊的結(jié)構(gòu)來(lái)增強(qiáng) CMFTIR效應(yīng)，而增強(qiáng)CMFTIR效應(yīng)的關(guān)鍵在于提高光纖中包層模式的比例。本實(shí)例中，我們 利用光纖雙絞連續(xù)宏彎耦合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)CMFTIR效應(yīng)的增強(qiáng)，首先將LED光源的光導(dǎo)入有源光 纖，光能量將在"宏彎耦合結(jié)構(gòu)"位置（螺旋纏繞于尼龍棒上的部分）發(fā)生宏彎耦合效應(yīng)， 一方面，光能量從有源光纖耦合進(jìn)入無(wú)源光纖中；另一方面，宏彎耦合效應(yīng)在無(wú)源光纖內(nèi)激 發(fā)出大量的包層模式。此時(shí)，CMFTIR效應(yīng)得到增強(qiáng)。利用POF光纖包層模受抑全內(nèi)反射效 應(yīng)，由于液體折射率高于空氣折射率，當(dāng)液位發(fā)生變化時(shí)，液體淹沒(méi)光纖敏感結(jié)構(gòu)的高度發(fā) 生變化，引起光纖外部折射率增加，從而破壞部分包層模式的全內(nèi)反射條件，使得一部分包 層模式光能量發(fā)生損耗。隨著液位的升高，光纖內(nèi)傳播的光能量隨之降低。同時(shí)，利用光纖 宏彎耦合實(shí)現(xiàn)有源光纖到無(wú)源光纖之間的能量轉(zhuǎn)移，一方面無(wú)源光纖內(nèi)的包層模式能量占 比更高，從而獲得更加顯著的CMFTIR效應(yīng)；一方面使得光能量從明場(chǎng)轉(zhuǎn)移至暗場(chǎng)，由于無(wú) 源光纖內(nèi)極低的背景噪聲，通過(guò)檢測(cè)無(wú)源光纖的正向耦合端輸出功率變化來(lái)判斷光纖被液 體淹沒(méi)的高度，可以獲得很好的信噪比，實(shí)現(xiàn)連續(xù)實(shí)時(shí)液位測(cè)量。
[0034] 下面用實(shí)驗(yàn)證明光纖宏彎耦合結(jié)構(gòu)增強(qiáng)CMFTIR效應(yīng)：
[0035] 對(duì)照組：?jiǎn)胃惫饫w，一端接led光源，一端接光功率計(jì)。手指輕觸光纖，功率計(jì)測(cè) 量所得的功率沒(méi)有變化，表明在完整的直光纖內(nèi)幾乎觀測(cè)不到CMFTIR效應(yīng)。
[0036] 實(shí)驗(yàn)組1 :單根光纖構(gòu)成宏彎環(huán)結(jié)構(gòu)，一端接led光源，一端接光功率計(jì)。手指輕觸 光纖彎曲部分的頂端，功率計(jì)測(cè)量所得的歸一化功率下降5%左右，表明此時(shí)CMFTIR效應(yīng) 有一定程度增強(qiáng)。這是因?yàn)楣饫w宏彎引起光纖內(nèi)模場(chǎng)的變化，在彎曲光纖中產(chǎn)生相對(duì)更多 的包層模式，手指輕觸導(dǎo)致更多包層模輻射出去，從而引起光功率的下降。此時(shí)雖有CMFTIR 效應(yīng)增強(qiáng)，但是效果不明顯。
[0037] 實(shí)驗(yàn)組2 :兩根光纖制成雙絞宏彎耦合結(jié)構(gòu)（TMBCS)，手指輕觸TMBCS頂端，相較于 直光纖和單根宏彎情況下，無(wú)源光纖的正向耦合端輸出歸一化功率下降了 30% -40%，下 降幅度大大提高。這是由于利用宏彎暗場(chǎng)耦合，使得在TMBCS的無(wú)源光纖內(nèi)的包層模式的 比例大大高于有源光纖，從而進(jìn)一步增強(qiáng)CMFTIR效應(yīng)，增強(qiáng)的效果顯著。
[0038] 由上述實(shí)驗(yàn)可知，雙絞宏彎耦合結(jié)構(gòu)能夠大大增強(qiáng)CMFTIR效應(yīng)，顯著提高傳感器 的靈敏度，提高測(cè)量精度。
[0039] 以下應(yīng)用一個(gè)具體試驗(yàn)證明，本實(shí)用新型提供的連續(xù)式液位傳感系統(tǒng)用來(lái)測(cè)量液 位是可以實(shí)現(xiàn)的。
[0040] 采用圖3所示的雙絞連續(xù)宏彎耦合結(jié)構(gòu)連續(xù)式液位傳感器由傳感光纖，光功率計(jì) 以及LED光源組成。傳感光纖是將兩根裸光纖（有源光纖和無(wú)源光纖）以固定步長(zhǎng)雙絞后， 利用耐高溫導(dǎo)線在兩根光纖外部纏繞，使兩光纖緊密貼合，并形成一體式結(jié)構(gòu)。然后將該結(jié) 構(gòu)以固定螺距螺旋纏繞于尼龍棒上。傳感光纖的敏感部位是緊貼在尼龍棒上經(jīng)螺旋纏繞 發(fā)生宏彎耦合的部分光纖，沒(méi)有纏繞在尼龍棒上的光纖為非敏感部位。為了屏蔽可見(jiàn)光的 影響，將兩根光纖的非敏感部分的裸光纖套入黑色塑膠管內(nèi)后，再連接光功率計(jì)上或者LED 光源上。利用耐高溫導(dǎo)線緊密纏繞在敏感部分的雙絞光纖上，以排除兩根光纖之間纏繞松 動(dòng)引起的間隔誤差，實(shí)現(xiàn)光能量的穩(wěn)定耦合，同時(shí)避免光纖因雙絞產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力而導(dǎo)致 的光纖崩裂。為了防止液體在加水過(guò)程中濺到敏感部分導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確，將尼龍棒插入內(nèi) 側(cè)貼有高反膜的兩頭開口的圓柱筒后，再整體放入裝液體的容器中。加水時(shí)只需要往圓柱 筒和容器中間加水，不會(huì)因?yàn)R上液體而導(dǎo)致誤判。其中高反膜不僅可以防止可見(jiàn)光的影響， 還能反射回部分輻射光，提高光能利用率。
[0041] 雙絞連續(xù)宏彎耦合結(jié)構(gòu)液位檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中，以不同速度反復(fù)向容器中加水，倒水（A， B，C，D，E五次）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。
[0042] 傳感器輸出液位特性曲線的斜率與光纖的布置方式有關(guān)，當(dāng)光纖螺距均勻時(shí)，曲 線更加平滑，但呈非線性。當(dāng)螺距不均勻分布時(shí)，此時(shí)特性曲線呈波浪形變化，但整體接近 線性。針對(duì)雙絞宏彎耦合結(jié)構(gòu)在不均勻螺距下測(cè)量的結(jié)果，對(duì)其進(jìn)行線性擬合?？梢园l(fā)現(xiàn)， 由于其波浪形變化，將導(dǎo)致較大的擬合誤差。利用改變螺距的方法，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)螺距進(jìn)行細(xì) 致的調(diào)整，最終可以使液位特性曲線呈現(xiàn)線性，從而降低擬合誤差，提高測(cè)量精度，獲得正 向耦合輸出功率與液位之間的線性關(guān)系。
[0043] 本實(shí)用新型實(shí)施例還提供了一種液位檢測(cè)方法，液位可以根據(jù)圖1-圖4所示的連 續(xù)式液位傳感系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)定，所述方法包括以下步驟：
[0044] 101、LED光源向有源光纖提供光能量。
[0045] 102、由第二光功率計(jì)測(cè)量獲得無(wú)源光纖正向耦合的輸出光功率。
[0046] 103、根據(jù)所述正向耦合輸出光功率計(jì)算獲得待測(cè)的液體液位。
[0047] 整個(gè)液位傳感裝置的能量由LED光源提供，LED光源向有源光纖提供光能量，根據(jù) 上述描述的原理，可以根據(jù)正向耦合端即第二光功率計(jì)的檢測(cè)到的輸出功率，計(jì)算獲得待 測(cè)的液體液位。
[0048] 在本實(shí)用新型實(shí)施例中，若所述連續(xù)式液位傳感系統(tǒng)采用的是圖3所示的雙絞 連續(xù)宏彎耦合結(jié)構(gòu)，則所述正向耦合輸出光功率與所述液體液位之間的關(guān)系為=L liquid= (P2-b)/K，其中，P2(單位：nw)為正向耦合端輸出功率，L liquid(單位：cm)為液位高度，K， b為擬合系數(shù)。在本專利中，通過(guò)我們的液位傳感器可檢測(cè)到正向耦合端輸出功率。所述 連續(xù)式液位傳感系統(tǒng)需根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，并根據(jù)具體擬合公式計(jì)算獲得待測(cè) 液體液位。在本實(shí)施例的雙絞連續(xù)宏彎親合結(jié)構(gòu)液位傳感器中，K = -6. 8402nw/cm，b = 492.9387nw。
[0049] 已知平均靈敏度S定義為：
[0050]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于包層模受抑全內(nèi)反射CMFTIR效應(yīng)的光纖連續(xù)式液位傳感系統(tǒng)，其特征在 于，包括；L邸光源，第一光功率計(jì)，第二光功率計(jì)W及光纖液位傳感器； 其中，所述光纖液位傳感器包括巧龍椿，有源光纖和無(wú)源光纖，所述有源光纖和所述無(wú) 源光纖的中間部分相互緊密貼合后螺旋纏繞在所述巧龍椿上形成連續(xù)宏彎禪合結(jié)構(gòu)，除中 間部分外的光纖均套有黑色熱縮管； 所述有源光纖的一端連接L邸光源，另一端連接所述第一光功率計(jì)；所述無(wú)源光纖的 一端連接所述第二光功率計(jì)，另一端用黑色蓋帽密封；所述第一光功率計(jì)和所述第二光功 率計(jì)位于所述光纖液位傳感器的同一端。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖連續(xù)式液位傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述連續(xù)宏彎禪合 結(jié)構(gòu)包括：平行連續(xù)宏彎禪合結(jié)構(gòu)，雙絞連續(xù)宏彎禪合結(jié)構(gòu)和疊加連續(xù)宏彎禪合結(jié)構(gòu)； 其中，所述平行連續(xù)宏彎禪合結(jié)構(gòu)為所述有源光纖和所述無(wú)源光纖的中間部分并排平 行放置后螺旋緊密纏繞在所述巧龍椿上； 所述雙絞連續(xù)宏彎禪合結(jié)構(gòu)為所述有源光纖和所述無(wú)源光纖的中間部分W固定步長(zhǎng) 雙絞后，利用高溫導(dǎo)線在兩根光纖外部纏繞，使兩光纖緊密貼合，并形成一體式結(jié)構(gòu)，然后 將該結(jié)構(gòu)W固定螺距纏繞于巧龍椿上； 所述疊加連續(xù)宏彎禪合結(jié)構(gòu)是通過(guò)在巧龍椿上刻2mm深固定槽后，先將有源光纖緊密 纏繞于巧龍椿槽內(nèi)底層，再將無(wú)源光纖疊加纏繞于有源光纖之上。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖連續(xù)式液位傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述有源光纖和所 述無(wú)源光纖為包層較薄，柔初性好的塑料光纖。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的連續(xù)式液位傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述塑料光纖包括標(biāo)準(zhǔn) 通信用塑料光纖，傳感光纖或石英纖巧的塑料包層光纖。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的光纖連續(xù)式液位傳感系統(tǒng)，其特征在于， 所述巧龍椿插在內(nèi)側(cè)貼有高反膜的兩端無(wú)蓋的圓柱筒內(nèi)。
【文檔編號(hào)】G01F23/292GK204228235SQ201420597514
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年10月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月1日
【發(fā)明者】劉文怡, 侯鈺龍, 張會(huì)新, 蘇珊, 沈三民, 王紅亮, 張彥軍, 蘇淑靖, 崔永俊, 甄成方, 熊繼軍, 劉俊 申請(qǐng)人:中北大學(xué)